红外辐射在大气中的传输

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1、第六章 红外辐射在大气中的 传输红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的红外辐射在大气中的传输问题一直受到人们的 普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在普遍重视。这是因为红外辐射自目标发出后，要在 大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由大气中传输相当长的距离，才能达到观测仪器，由 此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的此总要受到大气中各种因素的影响，给红外技术的 应用造成限制性的困难。应用造成限制性的困难。6.1 地球大气的基本组成一一. .气体的气体组成气体的气体组成主要气体：主要气体：78%78%的氮气的氮气21%21%的氧气的氧气 微量气体：微量气体：氩（氩（A Ar）

2、、）、二氧化碳二氧化碳(CO(CO2 2) )、一氧化碳一氧化碳(CO)(CO)、 一氧化二氮一氧化二氮(N(N2 2O)O)、甲烷甲烷(CH(CH4 4) )、臭氧臭氧(O(O3 3) )、 水蒸汽水蒸汽(H(H2 2O)O)等。等。这些气体并不总是中性的，在太阳辐射的作用下这些气体并不总是中性的，在太阳辐射的作用下 在在90km90km以上还有离子和电子存在。以上还有离子和电子存在。大气气体对辐射有吸收衰减和散射衰减的作用。大气气体对辐射有吸收衰减和散射衰减的作用。二，气溶胶气溶胶：以液体或固体为分散相和气体为分散介质形 成的溶胶称为气溶胶，亦称气体分散胶体。比如，雾是水滴分散在空气中的气

3、溶胶，烟是固 体粒于分散在空气中的气溶胶等。大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液大气中含有悬浮的尘埃、液滴、冰晶等固体或液 体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切体微粒状气溶胶。大气中的气溶胶和环境污染有密切 的关系。的关系。气溶胶会造成辐射的散射衰减。气溶胶的产生和消除气溶胶的消除：主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成） 气溶胶按其来源可分为：6.2 大气的气象条件一，大气温度对流层顶的平均高度 10km，几乎集中了大气 质量的80以及全部水汽 、云和降水，主要天气现 象和

4、过程如寒潮、台风、 雷雨、闪电等都发生在 这 一层。1.对流层温度梯度:7K/km0到10公里高度温度从300K降至220K。对流层的主要特征：i)温度随高度升高而降低。地面能吸收太阳辐射 的短波部分而升温并放出长波辐射，大气通过吸收地 面的长波辐射和通过对流方式从地面吸收热量升温， 因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层 的气温随高度升高而降低。ii)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到 热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流 层内存在强烈的垂直混合作用。iii)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和 地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不 同物理属性，压、温、湿

5、等要素水平分布不均匀，从 而产生各种天气过程和天气变化。2.平流层平流层大气温度下部冷上部热，使大气有相对稳定 的结构。对流很弱，空气大多作水平运动，平流层中水 汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。等温层温度大约220K20到55公里高度温度从220 K上升到270K左右。平流层下部温度随高度变化很小（等温层）。平流层上部因为存在臭氧层(2235公里处)， 臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。对流层顶10km向上到55公里左右为平流层。3.中间层中间层：55到80公里。大气温度随高度递减，水 汽极少，有相当强的垂直混合（类似于对流层），60 公里以上大气分子开始电离，电离层的底就在中层

6、内。55到80公里高度温度从270K降至180K左右。 4.热层这一层温度又随高度升高而增加，因为热层的分子 氧和原子氧能吸收太阳紫外辐射。但由于分子稀少很难 有对流运动，热传导率很小，造成巨大温度梯度和昼夜 温差，白天太阳活动期温度高达2000k，夜间太阳宁静 期仅500k。热层空气处于高度的电离状态。热层上部 由于空气稀薄，大气粒子很少互相碰撞，高速运动的空 气分子可能克服地球引力，向星际空间逃逸，又称逸散 层。二，大气压强根据理想气体物态方程：大气的平均分子量：原子质量单位其中 ,如果把h(z)看成常数：但h(z)不是常数，是随高度变化的量，称为z处的 标高。我们可以认为在一个不大的范围

7、内，标高近似地 可以看成常数，于是我们就可以利用刚才的压强公式：高度 km标高 km高度 km标高 km 08.5407.8107.8508.1206.3607.6306.8706.5三.大气密度其中 是标准状态下的大气密度。严格的大气状况应以实际测量值为准。根据理想气体物态方程：（标准状态）6.3 大气中的主要吸收气体大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和大气中的主要吸收气体有水蒸气、二氧化碳、和 臭氧等。臭氧等。 一，水蒸汽水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐水蒸气在大气的低层中的含量较高，是对红外辐 射传输影响较大的一种大气成分。水蒸气分子对红外射传输影响较大的一种大气成分。水

8、蒸气分子对红外 辐射有强烈的选择吸收作用。辐射有强烈的选择吸收作用。 水蒸气压强水蒸气压强p pww: :就是大气中水蒸气的分压强。就是大气中水蒸气的分压强。 绝对湿度绝对湿度w w: :单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为单位体积空气中所含有的水蒸气的质量，单位为 g/mg/m3 3。也就是水蒸气在空气中的密度。也就是水蒸气在空气中的密度。1.1.描述水蒸气含量的一些物理量：描述水蒸气含量的一些物理量： 饱和水蒸气压饱和水蒸气压p ps s: : 水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称水蒸气在某一温度下开始发生液化时的压强，称 为水蒸气在该温度下的饱和水蒸气压，也就是饱和状为水蒸气

9、在该温度下的饱和水蒸气压，也就是饱和状 态下水蒸气的分压强，它只是温度的函数。态下水蒸气的分压强，它只是温度的函数。 饱和水蒸气量饱和水蒸气量 s s: : 即饱和水蒸气密度，只与温度有关。即饱和水蒸气密度，只与温度有关。 相对湿度相对湿度RH :RH :空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样空气试样中水蒸气的含量和同温度下该空气试样 达到饱和状态时的水蒸气含量的比值，用百分数表示达到饱和状态时的水蒸气含量的比值，用百分数表示 。 露点温度露点温度: :露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度露点温度是给定空气试样变成饱和状态时的温度 。2，可凝结水量W在辐射传播方向上，和辐射束有相同截

10、面、以辐在辐射传播方向上，和辐射束有相同截面、以辐 射传播距离为长度的体积内，所含有的水蒸汽折合成射传播距离为长度的体积内，所含有的水蒸汽折合成 液态水层的厚度。液态水层的厚度。如果水蒸气在辐射传播路径上是均匀的：如果水蒸气在辐射传播路径上是均匀的：可凝结水量不能和水等同看待，也不包含已经凝 结的水滴 。3，水蒸气的分布几乎所有的水蒸气 都分布在对流层，在大 气底层，红外吸收水蒸 气占主导地位。不同时间、不同地 区水蒸气的含量差别很 大。图中的纵坐标给出 的是单位路程的可凝结 水量。二. 二氧化碳二氧化碳在空气中比例比较稳定，约二氧化碳在空气中比例比较稳定，约0.0330.033。 随着高度的

11、增加，水蒸气的含量急剧减少。因此在高随着高度的增加，水蒸气的含量急剧减少。因此在高 空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变空，水蒸气的吸收退居次要地位，二氧化碳的吸收变 得更重要。得更重要。：二氧化碳在标准状态下的分子数密度：二氧化碳在标准状态下的分子数密度 。二氧化碳对辐射的影响可以用大气厘米数二氧化碳对辐射的影响可以用大气厘米数 D D 来衡来衡 量，也就是把辐射路经的二氧化碳压缩为具有标准状量，也就是把辐射路经的二氧化碳压缩为具有标准状 态的体积。方法和可凝结水量类似。态的体积。方法和可凝结水量类似。二氧化碳的大气厘米数二氧化碳的大气厘米数根据理想气体物态方程，在标准状态下：在在

12、x x点，二氧化碳的分压强也应该满足：点，二氧化碳的分压强也应该满足：二氧化碳在：二氧化碳在x x处的分压比，通常取常数处的分压比，通常取常数COCO2 2在水平传径上是均匀的：在水平传径上是均匀的：三.臭氧分解碰撞吸收紫外合成分解吸收紫外红外臭氧对红外存在吸收带，但在低空由于存在二 氧化碳和水蒸汽更强的吸收带，臭氧的吸收带一般 都显不出来。而低空的臭氧浓度很低。大约是亿分 之二，因此在低空时一般可忽略臭氧的吸收。而当 系统工作在高空时，就必须考虑臭氧的吸收。氯氟烃臭氧层的破坏6.4 大气中的主要散射粒子大气中的主要散射粒子是气体分子和气溶胶。自然的气溶胶粒子半径一般为10-3102微米，按

13、其大小可分为三类：10-3 10-2 微米 爱根核 10-2 1 微米 大粒子或者大核(霾)1 102 微米 巨大粒子或者巨核(云、雾)气体分子的半径大约104微米。比云雾更大的水滴就是雨滴：比云雾更大的水滴就是雨滴：10102 210104 4微米散射粒子浓度和粒子大小的关系叫气溶胶尺度谱, 辐射传输中常用的气溶胶尺度谱模型有三种:（1 1）DiermendjianDiermendjian模型模型dN(r):rdN(r):r到到r rdrdr的粒子数浓度；的粒子数浓度；：不同情况下的成形常数。：不同情况下的成形常数。r:r:粒子半径；粒子半径；a:a:和总的粒子数浓度相关的参数；和总的粒子数

14、浓度相关的参数；一.气溶胶尺度谱（3 3）ZoldZold模型（对数正态模型）模型（对数正态模型）式中式中 是标准偏差、是标准偏差、R R平均半径。平均半径。（2 2）JungeJunge模型模型或者写成或者写成C C是归一化常数，是归一化常数， 为成形常数，一般在为成形常数，一般在2 24 4之间。之间。二.气溶胶浓度和高度的关系气溶胶的浓度随高度增加呈指数梯减:特征高度，一般取近地面处：每立方厘米1001000个悬浮微粒；10公里处：每立方厘米0.01个悬浮微粒。例外：20公里左右存在一个气溶胶层0.16.5 大气的吸收衰减一.大气的辐射透射特性朗伯比耳定律：朗伯比耳定律：吸收截面吸收元浓

15、度散射截面散射元浓度朗伯定律：大气的分子和悬浮微粒都对辐射有吸收和散射的作用：大气含有多种分子和悬浮微粒：分子光谱不象原子光谱那样由一些明锐的光谱线所 组成。而是在一定波长区间形成一系列光谱线系。每一线系在一端极密，就如同连续的光谱带，所以 我们常称分子光谱为带状光谱。若用高分辨的仪器观测，则发现每一个光谱带都是 由一组细的光谱线排列而成的。二.分子光谱1，分子的能级结构2，分子光谱的形成因为分子的每一种运动能量都是量子化的，所以 ，当分子从状态 改变到状态 时将发射电磁辐 射，其频率由下式确定：从分子的能级示意图中可以看出：纯转动能级之差0.05ev，所以波长25m，从远 红外直到微波区域。

16、如果分子只有转动能量变化:产生的光谱是纯转动光谱:由于振动能级之差约在0.051ev之间，所以转 动振动光谱带处于波长2.525 m的中红外区。如果分子的振动能量 和转动能量同时发生变化 ，则产生的分子光谱是转 动振动光谱带：如果分子的电子能量，振动能量和转动能量都发生 变化，就产生分子的电子光谱带。由于电子能级之差一 般在l20ev。因此它所产生的光谱位于电磁波谱的可 见光和紫外区域。通常将分子的转动振动光谱和分子的纯转动光 谱称为红外光谱。三.大气的选择性吸收1，大气各组分的红外吸收带2，大气窗口在红外技术中将红外辐射分为四个区：即近、中 、远和极远红外区。在近、中、远红外区中都包含有个或一个以上 的大气窗口，而在极远红外区(15微米以上)没有很透